Robotic blødt stof bøjer, roterer og kravler, når den rammes af lys

Forskere fra Northwestern University har udviklet en familie af bløde materialer, der efterligner levende væsner.

Når det rammes med lys, de filmtynde materialer bliver levende - bøjning, roterende og endda kravle på overflader.

Kaldet "robotisk blødt stof af Northwestern-teamet, "materialerne bevæger sig uden kompleks hardware, hydraulik eller el. Forskerne mener, at de naturtro materialer kan udføre mange opgaver, med potentielle anvendelser inden for energi, miljøsanering og avanceret medicin.

"Vi lever i en tid, hvor der konstant udvikles mere og mere smarte enheder for at hjælpe os med at styre vores hverdag, " sagde Northwesterns Samuel I. Stupp, der ledede de eksperimentelle undersøgelser. "Den næste grænse er i udviklingen af ​​ny videnskab, der vil bringe inerte materialer til live til vores fordel - ved at designe dem til at erhverve evner hos levende væsner."

Forskningen offentliggøres den 22. juni i tidsskriftet Naturmaterialer .

Stupp er bestyrelsesprofessor i materialevidenskab og teknik, Kemi, Medicin og biomedicinsk teknik ved Northwestern og direktør for Simpson Querrey Institute. Han har ansættelser i McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences og Feinberg School of Medicine. George Schatz, Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i kemi i Weinberg, ledet computersimuleringer af materialernes naturtro adfærd. Postdoc-stipendiat Chuang Li og kandidatstuderende Aysenur Iscen, fra Stupp og Schatz laboratorier, henholdsvis, er med-første forfattere af papiret.

Selvom det bevægelige materiale virker mirakuløst, sofistikeret videnskab er på spil. Dens struktur omfatter nanoskala peptidsamlinger, der dræner vandmolekyler ud af materialet. En ekspert i materialekemi, Stupp koblede peptid-arrays til polymernetværk designet til at være kemisk responsive på blåt lys.

Når lys rammer materialet, netværket skifter kemisk fra hydrofilt (tiltrækker vand) til hydrofobt (modstår vand). Når materialet udstøder vandet gennem dets peptidrør, "det trækker sig sammen - og kommer til live. Når lyset slukkes, vand kommer igen ind i materialet, som udvider sig, når den vender tilbage til en hydrofil struktur.

Dette minder om den reversible sammentrækning af muskler, hvilket inspirerede Stupp og hans team til at designe de nye materialer.

"Fra biologiske systemer, vi lærte, at musklernes magi er baseret på forbindelsen mellem samlinger af små proteiner og gigantiske proteinpolymerer, der udvider sig og trækker sig sammen, " sagde Stupp. "Muskler gør dette ved at bruge et kemisk brændstof i stedet for lys til at generere mekanisk energi."

Til Northwesterns bio-inspirerede materiale, lokaliseret lys kan udløse retningsbestemt bevægelse. Med andre ord, bøjning kan forekomme i forskellige retninger, afhængig af hvor lyset er placeret. Og ændring af lysets retning kan også tvinge objektet til at dreje, mens det kravler på en overflade.

Stupp og hans team mener, at der er uendelige mulige anvendelsesmuligheder for denne nye familie af materialer. Med evnen til at blive designet i forskellige former, materialerne kan spille en rolle i en række forskellige opgaver, lige fra miljøoprydning til hjernekirurgi.

"Disse materialer kunne øge funktionen af ​​bløde robotter, der er nødvendige for at opfange skrøbelige genstande og derefter frigive dem på et præcist sted, " sagde han. "I medicin, for eksempel, bløde materialer med 'levende' egenskaber kan bøje eller ændre form for at få blodpropper tilbage i hjernen efter et slagtilfælde. De kunne også svømme til rene vandforsyninger og havvand eller endda påtage sig helbredende opgaver for at reparere defekter i batterier, membraner og kemiske reaktorer."